Studies of Volcanic Influence on Aerosols, Clouds and Climate

• This thesis focuses on the influence of volcanism on the compositions of the aerosols in the upper troposphere (UT) and lowermost stratosphere (LMS), and their direct and indirect impact on climate. Aerosol data were obtained by aircraft-borne sampling, using the CARIBIC (Civil Aircraft for the Regular Investigation of the Atmosphere Based on an Instrument Container) platform, and laboratory-based ion beam analysis of aerosol samples at the Lund Ion Beam Analysis Facility (LIBAF). Aerosol composition data were compared to particle size distributions obtained from onboard optical particle counter (OPC) measurements, demonstrating good agreement between the two analysis systems. The impact on climate was investigated using satellite observations of aerosol and optical properties of cirrus clouds. These were provided by the CALIOP and MODIS instruments onboard the NASA satellites CALIPSO, Terra and Aqua. The aerosol load in the LMS has varied considerably since 2000, mainly due to volcanic injections of particles and particleforming gases. Tropical volcanoes affect the LMS for up to two years after eruption, through transport within the Brewer- Dobson circulation. In contrast, extra-tropical volcanoes inject aerosols directly into the LMS, which subside to the UT within months. The eruption of Kasatochi in August 2008 increased the aerosol load in the northern hemisphere LMS by a factor of ~10. Apart from sulfate and ash, both fresh and aged volcanic aerosols contain surprisingly large amounts of carbonaceous aerosols, and the value of the oxygen:carbon ratio (O/C) of ~2 indicates an organic origin. Entrainment of the organic aerosol present in the tropospheric background within volcanic jets and plumes was suggested to be the cause. Using CALIOP data, it was shown that the stratospheric aerosol at altitudes below 15 km constitutes a significant part of the volcanic forcing. During the period from 2008 to the middle of 2012, volcanic forcing in the LMS constituted 30% of that in the rest of the stratosphere. In addition, volcanism was found to have a significant influence on aerosol concentrations in the UT of the northern hemisphere. Comparison with cirrus reflectance (CR) data obtained using the MODIS instrument revealed a strong anti-correlation between the CR and particulate sulfur mass concentration, suggesting that the volcanic aerosol affected midlatitude cirrus clouds. In 2011, the CR was 8% lower than in 2001. Since cirrus clouds warm the Earth, this decrease is associated with regional cooling. The results of these studies show that previous estimates of the impact of volcanism on climate have been underestimated. The investigations of the direct and indirect radiative effects of volcanism on the UT and LMS presented here provide new information on the effect of volcanism on the Earth’s climate. This will allow more realistic estimates of the impact of volcanism on climate variability, and improve climate models providing more realistic projections of future global temperatures.

• Popular Abstract in Swedish I atmosfären finns mikroskopiskt små luftburna partiklar. Till skillnad från makroskopiska partiklar sedimenterar dessa så kallade ’aerosol-partiklar’ så sakta att de följer med den omgivande luftens rörelser. I atmosfärens nedre luftlager (troposfären) avlägsnas aerosolpartiklarna från atmosfären av nederbörd. Partiklarna deponerar därför inom någon vecka. Ovanför troposfären uppstår däremot ingen nederbördsbildning. I detta luftlager (stratosfären) följer partiklarna därför med luftens rörelser. Eftersom lufttransporten ner till troposfären är långsam kan aerosolpartiklar som nått stratosfären stanna kvar i luften i flera år. Ett flygplan, tre satelliter och en partikelaccelerator I denna avhandling presenteras forskning kring förekomsten av aerosolpartiklar i främst stratosfären och övre troposfären, deras beståndsdelar, geografiska och vertikala spridning, variationer över tiden, samt deras påverkan på Jordens klimat. Studierna baseras på data från aerosolprov och -mätningar tagna (mellan år 1999-2013 ) på 10- 12 km höjd med ett passerarflygplan inom forskningskonsortiet CARIBIC, samt data ifrån tre satelliter (CALIPSO, Terra och Aqua). Satelliterna använder olika optiska mätmetoder för att undersöka strålningsegenskaperna för partiklar och moln, medan en annan optisk metod via flygplansmätning genererar data över partiklarnas storlek. I ett laboratorium bombarderas proverna från flygplansmätningar med protoner accelererade med en partikelaccelerator för att även mäta aerosolpartiklarnas kemiska beståndsdelar och masskoncentrationer utav dessa. Aerosolpartiklarnas sammansättning Partiklar i stratosfären antas vanligtvis bestå utav svavelsyra och vatten. Därutöver innehåller partiklarna stora mängder kolmaterial och diverse föreningar med metaller. En ny upptäckt är att kolfraktionen i stratosfäriska partiklar huvudsakligen är organisk (ej sot). Svavelsyran bildas främst från karbonylsulfid och svaveldioxid. Vid förbränning av fossila bränslen emitteras stora mängder svaveldioxid, varav det mesta deponerar på marken som surt regn. Karbonylsulfid, som huvudsakligen har naturliga källor, kan däremot överleva den långsamma transporten upp till stratosfären, där den bryts ner av UV-ljus och bildar svavelsyrapartiklar. Kraftiga vulkanutbrott kan dock transportera vulkanisk svaveldioxid upp till 10-tals km höjd. Vulkaniska aerosolpartiklar och deras klimatpåverkan Aerosolpartiklar påverkar Jordens klimat på flera sätt. Genom att reflektera tillbaka solens strålning ut i rymden hindrar partiklarna solljuset från att värma upp Jordens yta, vilket ger en kylande effekt på klimatet. Under de senaste 10 åren har mängden partiklar i stratosfären varierat mycket, främst pga. flera vulkanutbrott. De vulkaniska partiklarna har under denna period kylt klimatet och därmed bidragit till att dölja en del av den globala uppvärmningen som människans växthusgasutsläpp genererar. Vulkanutbrott kan transportera stora mängder partiklar och partikelbildande gaser till hög höjd. Når det vulkaniska molnet stratosfären blir partiklarnas kylande effekt långvarig. Efter vulkanen Pinatubos kraftiga utbrott i Filipinerna år 1991 sjönk Jordens medeltemperatur med cirka 0,5°C under det efterföljande året. Trots att 40% av stratosfärens luft ligger under 15 km höjd inkluderas vanligtvis inte partiklarna i denna luftmassa (lägsta stratosfären) vid uppskattningar av klimatpåverkan från vulkanism. I denna avhandling presenteras forskning som visar att lägsta stratosfären var påverkad av vulkaniska partiklar under större delen av perioden 2005-2013. Mellan vintern 2008 och sommaren 2012 gav partiklar i lägsta stratosfären en klimatpåverkan som motsvarar cirka 30% utav den från övriga stratosfärens partiklar. Deras kylande effekt bidrog därmed till att motverka den globala uppvärmningen. Vulkanismen kan också ha påverkat molnen, eftersom vattenånga behöver ytor att kondensera på för att bilda moln. I stratosfären bildar vattenånga inte moln, men i troposfären sker all molnbildning i samverkan med aerosolpartiklar. I den kalla övre troposfären består molnen utav små iskristaller. Dessa så kallade cirrusmoln isolerar och värmer Jorden genom att stänga inne en andel av dess värmestrålning. En ny upptäckt är att nedtransport av luft ifrån stratosfären starkt påverkar förekomsten av partiklar i övre troposfären. Samtidiga variationer i cirrusmolnens reflektion tyder på att partiklarna har påverkat dem. Från 2001 till 2011 sjönk reflektansen för cirrusmolnen på norra halvklotet med 8%, vilket sannolikt gett en kylande effekt på Jordens klimat. Störst var förändringen över Europa, Atlanten och Nordamerika, områden med tät flygtrafik. En möjlig förklaring till cirrusmolnens förändrade egenskaper kan vara att partiklar i övre troposfären (t.ex. sot ifrån flygplanen) kan bli sämre på att binda vattenånga när de blandas med de vulkaniska partiklarna. Idag vet vi inte hur stor påverkan vulkaniska partiklar har på cirrusmolnen. Kanske kan ytterligare flyplansmätningar och satellitobservationer kombineras med modellberäkningar för att ge klarhet i detta.

Ämnesord

NATURVETENSKAP  -- Geovetenskap och miljövetenskap -- Klimatforskning (hsv//swe)

NATURAL SCIENCES  -- Earth and Related Environmental Sciences -- Climate Research (hsv//eng)

Nyckelord

lowermost stratosphere

volcanic aerosol

upper troposphere

sulfurous aerosol

carbonaceous aerosol

ion beam analysis

volcanism

indirect effect

radiative forcing

direct effect

Stratosphere

Fysicumarkivet A:2016:Friberg

Publikations- och innehållstyp

dok (ämneskategori)

vet (ämneskategori)